航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力的發(fā)展需求與技術(shù)挑戰(zhàn)

包為民，汪小衛(wèi)，董曉琳

(1.中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京 100048; 2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

我國航天動(dòng)力技術(shù)經(jīng)過60多年的發(fā)展，取得了輝煌的成就，有力支撐了長征系列運(yùn)載火箭的創(chuàng)新發(fā)展，特別是我國新一代運(yùn)載火箭的首飛和工程應(yīng)用，為我國各類航天重大工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

當(dāng)前，世界航天已進(jìn)入以大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)星座建設(shè)、空間資源開發(fā)、載人月球探測(cè)和大規(guī)模深空探測(cè)為代表的新階段，進(jìn)入空間需求正在快速增長，對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)提出了越來越高的要求。航班化運(yùn)輸系統(tǒng)已成為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要發(fā)展目標(biāo)，以美國為代表的世界主要航天國家正在持續(xù)向航班化運(yùn)輸邁進(jìn)。

航班化航天運(yùn)輸采用定期定線路的航班化運(yùn)營模式，具有可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、便捷、舒適、環(huán)保的基本特點(diǎn)，其產(chǎn)品體系主要包括1 h全球抵達(dá)運(yùn)輸系統(tǒng)、天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)和空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)等，如圖1所示，具有長壽命、智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)規(guī)?；燃夹g(shù)特征。

圖1 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)功能及運(yùn)行示意圖Fig.1 Function and operation schematic of space transportation system in airline-flight-mode

發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來前景廣闊，意義重大，其性能指標(biāo)提升跨度大，對(duì)我國航天動(dòng)力技術(shù)提出了更高的要求，也是我國航天動(dòng)力技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，趕超國際先進(jìn)水平的良好契機(jī)。本文結(jié)合航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的概念特征及后續(xù)發(fā)展思路，提出了航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力的發(fā)展需求與技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)的特征需求

圖2 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力主要產(chǎn)品組成Fig.2 Main propulsion product of space transportation system in airline-flight-mode

結(jié)合未來我國航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)總體性能指標(biāo)需求，提出如下我國航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)發(fā)展指標(biāo)需求：

1)飛行可靠性不低于0.999；

2)單次使用成本較當(dāng)前下降1～2個(gè)量級(jí)；

3)單發(fā)動(dòng)機(jī)總飛行次數(shù)達(dá)百次及以上，工作壽命達(dá)數(shù)小時(shí)及以上，具備12 h內(nèi)快速檢測(cè)維護(hù)、再次使用的能力。

1.1 1 h全球抵達(dá)和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)特征需求

為適應(yīng)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展需求，發(fā)動(dòng)機(jī)需具備更高的單次使用可靠性、更長的循環(huán)工作壽命；需要具備大范圍連續(xù)變推力和全空域大速域?qū)掃^載域多次點(diǎn)火的能力，滿足1 h全球抵達(dá)和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜任務(wù)剖面的工作要求；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)要實(shí)現(xiàn)全面可檢可測(cè)，同時(shí)要具備自主健康監(jiān)控與故障診斷能力，以滿足長壽命工作的可靠性要求；發(fā)動(dòng)機(jī)主要模塊需易維修、易拆卸、易更換，且發(fā)動(dòng)機(jī)要具備智能快速測(cè)發(fā)能力，以支撐12 h內(nèi)再次使用的要求。

1.2 空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)特征需求

空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)同樣需具備更高的單次使用可靠性、更長的循環(huán)工作壽命；還需具備在軌微重力真空環(huán)境下按需可靠點(diǎn)火能力；由于在軌工作條件下多處于自主狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的工作狀態(tài)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自主監(jiān)測(cè)，薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)要實(shí)現(xiàn)全面自主可測(cè)，具備自主健康監(jiān)控與故障診斷能力，以滿足在軌條件下對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力及可靠性評(píng)估；發(fā)動(dòng)機(jī)為具備長工作壽命下正常工作能力，需備故障冗余與切換功能，以實(shí)現(xiàn)在軌條件下全生命周期無人維護(hù)。

2 航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力技術(shù)的總體發(fā)展需求

瞄準(zhǔn)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展路線和動(dòng)力技術(shù)發(fā)展指標(biāo)要求，結(jié)合我國當(dāng)前動(dòng)力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析提出我國航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)總體發(fā)展需求，全面支撐航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)。

2.1 1 h全球抵達(dá)和天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)

近期，完成覆蓋120 t級(jí)液氧烴類重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)，參與全系統(tǒng)飛行試驗(yàn)，具備工程應(yīng)用條件。開展組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)及原理性飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在精彩的歌舞表演中，頒獎(jiǎng)典禮高潮迭起。在眾人期待中，主持人正式公布本屆金樽獎(jiǎng)金樽大獎(jiǎng)及金獎(jiǎng)名單，晚宴嘉賓為獲得金樽大獎(jiǎng)的5款葡萄酒，獲得金樽獎(jiǎng)金獎(jiǎng)的19款葡萄酒頒獎(jiǎng)、合影留念，并頒出“金樽獎(jiǎng)微醺大師”等單項(xiàng)獎(jiǎng)。

中期，實(shí)現(xiàn)覆蓋200 t級(jí)重復(fù)使用液氧甲烷火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用，重復(fù)使用達(dá)50～100次，使用維護(hù)性能大幅提升，性能達(dá)到國際同期先進(jìn)水平。實(shí)現(xiàn)組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)突破，支撐完成兩級(jí)入軌組合動(dòng)力運(yùn)載器飛行試驗(yàn)，具備工程應(yīng)用條件。

遠(yuǎn)期，重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升。復(fù)合預(yù)冷組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)完成研制，具備支撐運(yùn)載器單級(jí)入軌飛行能力。重復(fù)使用次數(shù)達(dá)100次以上，工作壽命達(dá)數(shù)小時(shí)以上，具備12 h內(nèi)快速檢測(cè)維護(hù)、再次使用的能力。

2.2 空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)

近期，提升當(dāng)前氫氧末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，具備多次起動(dòng)和在軌數(shù)天的滑行能力；完成液氧烴類上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；支撐我國高性能低溫空間運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展。開展大功率電推進(jìn)等新型空間推進(jìn)技術(shù)研究和攻關(guān)。

中期，不斷提升氫氧末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，實(shí)現(xiàn)液氧烴類上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用，具備在軌數(shù)周的滑行能力，技術(shù)成熟度與可靠性不斷提高。完成100kW級(jí)電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行驗(yàn)證工作，具備工程應(yīng)用條件。

遠(yuǎn)期，空間低溫發(fā)動(dòng)機(jī)性能不斷提升，具備在軌自主快速檢測(cè)維護(hù)、智能任務(wù)規(guī)劃和智能飛行能力；實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用，空間核熱推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破，與空間低溫推進(jìn)技術(shù)搭配使用。

3 動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)

3.1 明確發(fā)展路線

一是實(shí)施火箭發(fā)動(dòng)機(jī)型譜優(yōu)化。我國已形成由液氫液氧、液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)組成的新一代運(yùn)載火箭主力發(fā)動(dòng)機(jī)型譜，包括YF—75、YF—75D、YF—77、YF—100、YF—115等。液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力覆蓋50 t級(jí)，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力覆蓋120 t級(jí)，當(dāng)前正在開展覆蓋480 t級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、覆蓋220 t級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)以及覆蓋200 t級(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)等多型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制或技術(shù)攻關(guān)工作，亟需結(jié)合我國航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來發(fā)展需求，開展型譜優(yōu)化，明確發(fā)展路線，實(shí)現(xiàn)梯度合理、指標(biāo)先進(jìn)、使用靈活、工作可靠。

二是明確重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展路線。在重復(fù)使用火箭動(dòng)力類型的選擇方面，當(dāng)前主要考慮液氧煤油和液氧甲烷兩種動(dòng)力類型。表1給出了液氧煤油和液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比情況，可以看出，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)比沖相較液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)高3%左右，且由于其含碳量較低，不易積碳，重復(fù)使用性能更好。

表1 液氧煤油與液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比

表2給出了國際上重復(fù)使用運(yùn)載火箭動(dòng)力類型的選擇情況，可以看出兩種類型發(fā)動(dòng)機(jī)均有應(yīng)用，但重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)更加廣泛。在組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)類型方面，當(dāng)前研究類型多樣，包括RBCC、TBCC、ATR、TRRE、PATR等，也需在近幾年研究的基礎(chǔ)上，提出具有中國特色的發(fā)展路線。

表2 國際上重復(fù)使用火箭動(dòng)力類型選擇

動(dòng)力的選擇對(duì)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)未來的發(fā)展具有重要意義，影響深遠(yuǎn)，需明確動(dòng)力類型在航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展規(guī)劃。

3.2 轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念

動(dòng)力系統(tǒng)功率密度大、工作參數(shù)高、工作環(huán)境惡劣，是制約航天運(yùn)輸系統(tǒng)壽命提升的關(guān)鍵所在，發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用和工作壽命是實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)航班化運(yùn)營的重要影響因素。目前我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采用一次性使用設(shè)計(jì)，工作壽命在數(shù)百秒到數(shù)千秒，要實(shí)現(xiàn)百次及以上的重復(fù)使用和數(shù)小時(shí)以上的工作壽命充滿挑戰(zhàn)，需打破傳統(tǒng)、大力創(chuàng)新，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)從一次性使用到重復(fù)使用、從性能設(shè)計(jì)到壽命設(shè)計(jì)、從粗放式設(shè)計(jì)到精細(xì)化設(shè)計(jì)、從不易檢測(cè)到智能健康管理的轉(zhuǎn)變，不斷構(gòu)建我國發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用和長壽命設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系。

在重復(fù)使用和長壽命設(shè)計(jì)方面：

1)提升滿足重復(fù)使用任務(wù)需求的能力。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力深度調(diào)節(jié)及性能保持、多次點(diǎn)火等能力，以滿足重復(fù)使用航天運(yùn)輸系統(tǒng)的工作任務(wù)需求。

2)改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過選擇固有重復(fù)使用性能高和工作壽命長的系統(tǒng)方案，并開展系統(tǒng)方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)源頭為發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用和長壽命工作創(chuàng)造條件；在此基礎(chǔ)上，瞄準(zhǔn)目標(biāo)指標(biāo)要求，適當(dāng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作參數(shù)，為組件工作創(chuàng)造更良好的工作環(huán)境，提升發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命。

3)建立發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期設(shè)計(jì)方法。以疲勞壽命、耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，制定發(fā)動(dòng)機(jī)壽命設(shè)計(jì)模型及準(zhǔn)則，形成全壽命周期設(shè)計(jì)方法。

4)建立重復(fù)使用和長壽命發(fā)動(dòng)機(jī)壽命評(píng)估驗(yàn)證方法。研究發(fā)動(dòng)機(jī)部件損傷機(jī)理，開展微細(xì)觀力學(xué)本構(gòu)模型研究，形成跨尺度仿真評(píng)估方法；建立壽命試驗(yàn)評(píng)估方法，通過模擬工作環(huán)境，試驗(yàn)考核零部件的有效壽命。

5)大量應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)。應(yīng)用新材料提升部組件在惡劣環(huán)境下的工作性能，應(yīng)用增材制造等新工藝來降低消除非均質(zhì)材料缺陷，并采用一體化精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，提升發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用性能及長壽命工作能力。

在高效便捷使用維護(hù)方面，當(dāng)前為了提高推質(zhì)比、減小結(jié)構(gòu)尺寸，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，且裝配完成后很多組件難以或無法獨(dú)立拆解，使得發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)難度大、代價(jià)高。針對(duì)未來航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)，一是考慮發(fā)動(dòng)機(jī)易組裝和易拆卸設(shè)計(jì)，特別是渦輪泵、推力室這樣的關(guān)鍵部件應(yīng)用增材制造等先進(jìn)工藝大幅減少或消除焊縫，采用模塊化設(shè)計(jì)，能夠方便地獨(dú)立快速拆卸，或在盡可能少影響其他部件的前提下實(shí)現(xiàn)快速拆卸，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的快速維護(hù)性能；二是采用超聲波、X光等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)提高重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)可檢程度；三是采用智能化技術(shù)提升快速測(cè)試發(fā)射和檢測(cè)維護(hù)的效率、準(zhǔn)確度及全面性，全面提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)快速性、便捷性和有效性。

3.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)研究

當(dāng)前我國主力液氧煤油和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在推力、比沖、推質(zhì)比等關(guān)鍵性能方面與美國、俄羅斯等國際先進(jìn)水平還存在明顯差距，需大力提升我國主力發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研制水平，為航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)發(fā)展指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。存在差距的重要原因之一在于大量長期制約我國液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的基礎(chǔ)問題尚未得到根本解決，因此亟需加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)問題研究，包括高效燃燒組織及燃燒不穩(wěn)定性問題、高壓大熱流環(huán)境傳熱與可靠冷卻問題、渦輪泵高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)及異常振動(dòng)問題、微重力環(huán)境低溫推進(jìn)劑氣液兩相流問題、復(fù)雜流動(dòng)精細(xì)組織及優(yōu)化設(shè)計(jì)、復(fù)雜過渡過程系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及參數(shù)精準(zhǔn)預(yù)示以及全過程載荷環(huán)境預(yù)示與復(fù)雜結(jié)構(gòu)疲勞失效機(jī)理等。

3.4 發(fā)展新型動(dòng)力

發(fā)展以組合動(dòng)力、爆震推進(jìn)和大功率電推進(jìn)技術(shù)為代表的新型動(dòng)力技術(shù)，加快突破核心關(guān)鍵技術(shù)，提升性能和技術(shù)成熟度，盡早具備工程應(yīng)用條件，更好地支撐航天運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航班化運(yùn)營。同時(shí)，需進(jìn)一步探索以激光推進(jìn)、核推進(jìn)等為代表的未來新型動(dòng)力技術(shù)。

4 結(jié)論

世界航天即將迎來大規(guī)模進(jìn)出空間的“航班化航天運(yùn)輸時(shí)代”，建設(shè)航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力技術(shù)提出了更高的要求。發(fā)展航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)力技術(shù)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存，諸多難題有待解決。需立足我國現(xiàn)狀基礎(chǔ)，明確發(fā)展路線，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，發(fā)展新型動(dòng)力，應(yīng)用新技術(shù)，探索新方法，解決新問題，構(gòu)建新體系，大力支撐建成世界一流水平的航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)。